【正文】 優(yōu)解[33]。模擬退火算法的重要參數(shù)：退火過程中分布的能量概率：其中P(E)為系統(tǒng)處于能量狀態(tài)E的概率，k為Boltzlnann常數(shù)，T為系統(tǒng)絕對溫度；初始溫度T，它的選取對算法的分析有著極大的影響。l 堆垛機對任何貨物的存取速度是一定的，不會因存取順序的不同而改變[36]。交叉概率一般是在1左右，使其可以遺傳至下一代。(a) NC=200 (b) NC=400 (c) NC=600 (d) NC=800 遺傳算法優(yōu)化調(diào)度仿真結果（參數(shù)：Pc=；Pm=）圖中的虛線是種群的變化曲線，實線是種群產(chǎn)生的下一代的變化曲線。狀態(tài)轉移公式為： ()其中，是從節(jié)點到的啟發(fā)式函數(shù)，A是未走過的所有節(jié)點的集合，為啟發(fā)式因子。第一步：編碼采用符號編碼中的序號編碼方法，這是一種最自然的編碼方式。第二步：程序流程圖。4 柔性制造系統(tǒng)主要功能模塊的設計固高FMS的控制系統(tǒng)分為立體倉庫管理系統(tǒng)、加工系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和系統(tǒng)管理這四個部分。 單任務作業(yè)介紹 單任務入庫管理系統(tǒng)入庫功能是FMS的基本功能。最后，堆垛機上的傳感器采集信號，系統(tǒng)根據(jù)該信號控制堆垛機完成任務。然后AGV小車沿著固定的磁導引線，把貨物送至加工點。對于復雜作業(yè)的研究，包括以下三個方面：一鍵入庫、一鍵出庫和揀選作業(yè)。把連續(xù)作業(yè)任務指令存入指針數(shù)組，生成任務單，終端控制系統(tǒng)依次在任務單中讀取倉儲作業(yè)指令。同時將任務單信息保存至自定義的類中。該功能也適用于同一類型的多個產(chǎn)品同時出貨的情況，允許用戶設定出庫數(shù)量。由此可見，揀選作業(yè)調(diào)度問題本質上是求取堆垛機最短運行路徑的問題。對速度控制的合理與否、定位設計是否精確以及故障診斷系統(tǒng)的效果是實現(xiàn)堆垛機高效率、高準確度、高度安全性運行的重要因素。l 保護功能：為了保證堆垛機系統(tǒng)的運行安全，系統(tǒng)中需要多種保護措施，第一是軟限位，第二是硬限位，第三是橡膠擋塊。l 相對計數(shù)定位法(計數(shù)法)該方式以計數(shù)方式表示堆垛機X方向和Y方向的實際走過的路程。因此通過對旋轉編碼器的轉角的轉換，可以得到堆垛機的相對運行位置。由于常用的模式在終止點的定位精度差，速度跟蹤平穩(wěn)性不高。位置環(huán)的作用是根據(jù)采樣回來的位置偏差來發(fā)出指令調(diào)節(jié)電機速度，以實現(xiàn)系統(tǒng)的精確定位和回零；速度環(huán)和電流環(huán)分別在速度控制模式和轉矩控制模式下發(fā)揮作用[42,43]，因此在運動控制器采用的速度控制模式中，主要由速度環(huán)和位置環(huán)構成雙閉環(huán)。給定系統(tǒng)初始值，目標速度為4，目標位置為140000，采樣時間為200。 (a) kp=0，ki=0，kd=0 (b) kp=10，ki=0，kd=5(c) kp=8，ki=5，kd=30 (a) kp=30，ki=0，kd=0 (b) kp=10，ki=0，kd=5 (c) kp=8，ki=5，kd=30 跟蹤目標位置曲線 最佳參數(shù)下的速度曲線經(jīng)過多次仿真后，改變PID參數(shù)的原則是先調(diào)內(nèi)環(huán)（速度環(huán)），再調(diào)外環(huán)（位置環(huán)）。通過上面實驗仿真可知：Kp保證系統(tǒng)可以快速響應輸入信號，但該值過大會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定[52]。 控制器流程圖，控制器需要設定的參數(shù)有目標位置、目標速度和目標加速度以及計算周期[56]，各變量之間關系見式 () () ()其中Pos，Vel，acc分別是目標位置、目標速度和目標加速度。 運動控制器參數(shù)設置界面按照實驗結果進行運動控制器進行編程，保證速度控制系統(tǒng)對交流伺服電機的控制取得最優(yōu)。Kd能夠消除系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的過大超調(diào)量[53]，使系統(tǒng)可較快趨于穩(wěn)定。(c)所示，可以看出，跟蹤曲線基本沒有誤差，可以很好的實現(xiàn)對伺服電動機的雙閉環(huán)控制，記錄此時的PID參數(shù)為，Kp=8，Ki=5，Kd=30。實驗過程采用試湊法，過程如下：把PID的參數(shù)設定為Kp=1，Ki=0，Kd=0。速度控制器中采用了PID調(diào)節(jié)器加數(shù)字濾波器，主要是用于計算控制輸出信號，采用速度和加速度前饋，即PID+濾波器。所以，本系統(tǒng)的速度控制采用S曲線模式[41]。l 激光測距定位近年來，一種新的可用于巷道堆垛機行走方向上精確定位的新技術—激光測距技術應運而生。堆垛機計數(shù)器記錄下標的層、列號，在沿巷道運行時，每經(jīng)過一列計數(shù)一次，在達到一預定數(shù)值之后開始減速，確保到達目標地址時停止。當堆垛機碰到軟限位時，不會造成系統(tǒng)掉電。1——下橫梁 2——貨叉裝置 3——載貨臺4——上橫梁 5——導輪組 6——卷筒 堆垛機結構圖堆垛機控制系統(tǒng)的功能包括：l 位置控制：為了準確的存取貨物，堆垛機必須到達指定貨位處，且保證停止精度在可允許的誤差范圍。采用蟻群算法進行優(yōu)化調(diào)度具有較好的效果，因此系統(tǒng)揀選操作中使用了蟻群算法來生成任務單。揀選作業(yè)是根據(jù)出庫信息或者訂單，將顧客訂購的物品從倉庫中取出，并運送至配貨區(qū)的作業(yè)過程。如果繼續(xù)，系統(tǒng)發(fā)送新指令至堆垛機。 一鍵入庫功能的設計實現(xiàn)復雜作業(yè)功能，要對系統(tǒng)內(nèi)的信息傳遞有清楚的認識，信息傳遞主要存在于終端控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構之間。分析系統(tǒng)程序后，添加判斷代碼，并把吸盤吸起貨物的時間測定好，在程序中添加定時器，實現(xiàn)當貨物送至機械手臂處的時候，輸送線的紅外開關檢測信號后，輸送線的PLC收到該信號后，控制皮帶電機繼續(xù)轉動，繼續(xù)執(zhí)行出庫操作，以下操作與出庫操作類似。 單任務入庫作業(yè)的程序流程圖 單任務出庫管理系統(tǒng)出庫功能跟入庫功能類似，首先也要設置出庫信息，包括出庫物料名稱，出庫的貨位號。通常作業(yè)入庫是指正常情況下，系統(tǒng)按照中央控制器所給的指令來執(zhí)行入庫作業(yè)；備選作業(yè)入庫是指當設備突然斷電時，系統(tǒng)通過AGV小車來實現(xiàn)作業(yè)入庫。 FMS體系結構圖針對原系統(tǒng)存在的缺陷和不足，本文設計開發(fā)了立體倉庫管理系統(tǒng)中的倉儲作業(yè)模塊、監(jiān)控系統(tǒng)中的信息管理模塊、堆垛機控制模塊，并對系統(tǒng)的監(jiān)控界面進行改進。 模擬退火算法優(yōu)化調(diào)度仿真結果 仿真結果，最短路徑為1→19→4→23→10→17→2→7→14→13→15→8→9→3→21→24→18→22→16→5→20→12→6→11→1。 蟻群調(diào)度算法流程圖 仿真結果分析。反映了螞蟻運動過程中積累的信息的作用并闡述了軌跡的相對重要性；為期望啟發(fā)式因子，表示了能見度的相對重要性，反映螞蟻在運動過程中啟發(fā)信息在螞蟻選擇路徑中的受重視程度。此時，即取得最優(yōu)路徑。第四步：選定算法停止條件在遺傳算法中，停止條件是最優(yōu)解無顯著提高。 算法設計第一步：編碼采用符號編碼中的序號編碼方法，這是一種最自然的編碼方式。擾動和接受次數(shù)N需要通過實驗來確定，N越大，算法嘗試的試探點越多，求得全局最優(yōu)解的可能性越大，但計算量也隨之增大；算法終止條件，系統(tǒng)溫度降到規(guī)定的溫度或始末溫度差在某精度范圍內(nèi)兩種方式，只要滿足其一算法即終止。蟻群算法的步驟如下：step1 參數(shù)初始化，包括選定螞蟻個數(shù)，螞蟻個數(shù)即為所考慮的貨位的個數(shù)；step2 循環(huán)次數(shù)加1；step3 螞蟻的禁忌表索引號k=1；step4 對k加1；step5 根據(jù)狀態(tài)轉移概念公式計算個體的概率，然后選擇下一步該走的地點并前進；step6 修改禁忌表指標，即選擇好之后將螞蟻移動到新的頂點(城市)，并把該頂點(城市)移動到該螞蟻個體的禁忌表中；step7 如果所有的城市未遍歷完，則重復step4；step8 更新信息量；step9 結束條件：若滿足，則輸出結果；若不滿足，則重復step2。螞蟻在覓食的過程中，會在它走過的地方釋放一種氣體，稱為信息素。Grenfenstette等提出了把遺傳算法（Genetic Algorithms，GA）應用于TSP問題，GA能利用具體問題的基因算子以得到更優(yōu)的解[31]。l 遺傳算法遺傳算法是Holland教授[26]在20世紀70年代初期提出的，它主要借助生物進化中的“適者生存”的規(guī)律[27]。最短空閑時間優(yōu)先策略(LSF)[24]，是指任務的空閑時間最短的作業(yè)優(yōu)先進入任務隊列。在自動化立體倉庫的倉儲作業(yè)中，調(diào)度策略是指：根據(jù)自動化立體倉庫的堆垛機分配策略所規(guī)定的堆垛機分配策略。目前，自動化倉庫已經(jīng)進入了智能儲運技術階段[16]。當然也可以實現(xiàn)遠程控制。l 輸送系統(tǒng)。一般由鋼鐵結構構成儲存商品的單元格，單元格內(nèi)存放托盤貨物。類似于一個典型的TSP問題，立體倉庫中需進行揀選作業(yè)的貨位可看作旅行商所要到達的城市。反之，則稱為非對稱距離TSP。l 倉庫信息管理系統(tǒng)：在原系統(tǒng)中，無法實現(xiàn)查詢打印報表的功能，只能夠實現(xiàn)入/出庫操作過程中簡單的資料統(tǒng)計。應用遺傳算法、蟻群算法和模擬退火算法等現(xiàn)代優(yōu)化調(diào)度算法，編程實現(xiàn)，將程序生成的最優(yōu)路徑儲存為任務單。 系統(tǒng)改進方向高效率的控制系統(tǒng)可以提高生產(chǎn)效率和倉儲的自動化水平，控制系統(tǒng)就相當于FMS的大腦，其性能的好壞決定了FMS系統(tǒng)的優(yōu)劣。它采用傳統(tǒng)的切削式加工方法進行雕刻。 調(diào)庫功能調(diào)庫模塊可以實現(xiàn)倉庫中兩個不同貨位上物品的位置轉換。取貨后堆垛機上的傳感器便可檢測到信號，然后堆垛機開始運行，運行至出庫臺后，將貨物放到出庫臺后，收回貨叉并收回。從圖中可以看出系統(tǒng)能夠實現(xiàn)的功能，下面作詳細介紹。雕刻機通過計算機來進行控制，其硬件包括以下部分：l 雕刻機主機，雕刻機是該系統(tǒng)的重要部分，雕刻機上面安裝的刀具可以對產(chǎn)品完成圖形雕刻的功能。 AGV輸送系統(tǒng)自動導引車輛(Automated Guided Vehicle，簡稱AGV)是一種無人操縱的自動化運輸設備，它能承載一定的重量在出發(fā)地和目的地之間進行自主駕駛、自動運行，是自動化物流運輸系統(tǒng)、柔性生產(chǎn)組織系統(tǒng)的核心裝置[6]。輸送線的控制方式為“PLC+電機減速控制”。堆垛機的特性：l 安全性：硬件限位、軟件限位和碰撞緩沖擋塊三層保護保證了設備的安全運行。自動化立體倉庫倉位編碼規(guī)定：從左到右，從下到上。第六章 總結與展望。基于TSP（Traveling Salesman Problem）模型，利用MATLAB軟件實現(xiàn)了上述三種調(diào)度算法仿真。本文主要基于原設備硬件系統(tǒng)，對部分控制模塊和系統(tǒng)管理軟件進行研究和改進設計，具體包括堆垛機控制系統(tǒng)、立體倉庫調(diào)度算法、作業(yè)管理系統(tǒng)等。柔性制造系統(tǒng)的信息網(wǎng)絡模型可以分為五層[1]：l 計劃層：包括產(chǎn)品設計、工藝設計、庫存管理和生產(chǎn)計劃等，屬于工廠一級；l 管理層：包括作業(yè)計劃、在制品及毛坯管理、工具管理和工藝系統(tǒng)分析等，這是屬于車間和系統(tǒng)的管理級；l 單元層：包括分布式數(shù)控、運輸系統(tǒng)和加工系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，數(shù)據(jù)采集和工況等，這是系統(tǒng)控制級；l 設備控制層：指設備的控制級，主要包括各機器人控制、機床數(shù)控、倉儲控制和運輸?shù)龋籰 動作執(zhí)行層：通過伺服系統(tǒng)的控制命令來控制機械運動，或者是通過傳感器采集到的信號來控制數(shù)據(jù)等。FMS兼顧了生產(chǎn)率和靈活性，因此它具有生命力，從而得到了廣泛的使用。與此同時，還出現(xiàn)了若干僅具有FMS基本特征，但自動化程度不很完善的經(jīng)濟型FMS，使FMS的設計思想和技術成就得到普及應用。森斯特蘭公司建成Omniline I系統(tǒng)，它由八臺加工中心和兩臺多軸鉆床組成，工件被裝在托盤上的夾具中，按固定順序以一定節(jié)拍在各機床間傳送和進行加工。該系統(tǒng)能在不停機的狀況下，通過計算機自動地控制不同品種產(chǎn)品的加工。柔性制造是在計算機支持下，能適應加工對象變化的制造系統(tǒng)。運用蟻群算法得到揀選作業(yè)單，節(jié)省了系統(tǒng)揀選作業(yè)的時間。與我一同工作的同事對本學位論文做出的貢獻均已在論文中作了明確的說明。研究生簽名： 年 月 日 碩士論文 基于固高FMS的控制系統(tǒng)設計摘 要柔性制造系統(tǒng)（FMS）是一套以計算機控制為核心的、可以完成生產(chǎn)、加工和儲存等工作的自動化系統(tǒng)。關鍵詞：FMS，自動化立體倉庫，蟻群算法，堆垛機控制系統(tǒng)67AbstractFlexible Manufacturing Systems(FMS) is the automation system cored on puter control, which can be employed to acplish multiple tasks such as production, processing, storage of the products and so on. With the development of science and technology, FMS is widely applied in manufacture. In order to make students facile understand and then prehend the organization and control modus of real industrial equipment, a set of FMS system from Gugao pany has been introduced here to show how it works. Based on the hardware of the system, this thesis fo